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Diese Anmeldung ist eine Weiterführung der US-Patentanmeldung Nr. 12/342 001, eingereicht am 22. Dezember 2008; die Gesamtheit dieser Anmeldung wird hier unter Bezugnahme inkorporiert.
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HINTERGRUND
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Gebiet der Erfindung
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Diese Vorrichtung bezieht sich auf Halbleitereingabesteuerungsvorrichtungen, mikroelektrische mechanische Systeme (MEMS), Sensoren und spezifischer auf Ein- Achsen-, Zwei-Achsen- oder Drei-Achsen-Kraftsensoren für vielfältige Anwendungen und insbesondere für Fingermäuse und Mikro-Joysticks für Verbraucher und andere Anwendungen.
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Hintergrund
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Es sind auf Mikro-bearbeiteten Siliziumchips basierende Ein Achsen-, Zwei-Achsen- oder Drei-Achsen-Kraftsensoren mit drucksensitiven Komponenten auf dem flexiblen Diaphragma bekannt. Der Stand der Technik verwendet Siliziumchips mit drucksensitiven Komponenten, die mit metallischen Elastikelementen mit einem Metallstab oder -stift zum Angriff einer externen Kraft verbunden sind. Die Gehäuse für diese Kraftsensoren sind im Allgemeinen komplex, groß und teuer.
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Jedoch gibt es einen Bedarf an Ein-Achsen-, Zwei-Achsen- oder Drei-Achsen-Eingabekraftsteuervorrichtungen, die preisgünstig, klein, zuverlässig, und stabil sind, ausgewählte Verhältnisse zwischen X, Y oder X, Y, Z-Sensitivitäten, eine niedrige Kreuzachsensensitivität, Prozessintegration mit CMOS, Skalierung, bequeme Lösungen zum Aufbringen einer externen Kraft, ausgewählte Kombinationen von Angriffskraft und Ablenkung und Herstellbarkeit für großmaßstäbliche Anwendungen bereitstellen. Die Beispiele dafür sind Endverbrauchermärkte und -anwendungen wie etwa Mobiltelefone, portable Spielgeräte, Digitalkameras, etc., die Anwender-taktile Krafteingaben als Teil der Benutzerschnittstelle verwenden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Es wird eine preisgünstige Krafteingabesteuervorrichtung, die für Massenanwendungen wie etwa Mobiltelefone, portable Spielvorrichtungen oder andere tragbare elektronische Vorrichtungen geeignet sind, offenbart.
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Die Vorrichtung umfasst einen Kraftsensorchip, der innerhalb des Halbleitersubstrats ausgebildet ist und der enthält: eine Kraftangriffsfläche; zumindest einen Kraftsensor, der elektrische Ausgangssignale in Reaktion auf eine an die Kraftangriffsfläche angelegte externe Kraft bereitstellt; zumindest eine integrierte Schaltung zur Signalkonditionierung und Verarbeitung, die eine Konditionierung und Verarbeitung der Ausgangssignale aus dem Kraftsensor bereitstellt; ein Gehäuse, das zumindest einen Teil des Kraftsensorchips einschließt und ein Kraftübertragungselement umfasst, das mit dem Kraftsensorchip verbunden ist, um eine externe Kraft an den Kraftsensorchip zu übertragen; und eine Taste, die mit dem Kraftübertragungselement des Gehäuses mechanisch gekoppelt ist, um eine Schnittstelle zur externen Kraft bereitzustellen.
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Einige Ausführungsformen stellen eine Halbleitereingabesteuerungsvorrichtung zur Eingabe mechanischer Signale in ein elektronisches System bereit, umfassend: einen Kraftsensorchip, der innerhalb eines Halbleitersubstrats ausgebildet ist, wobei der Kraftsensorchip Seite 1 und Seite 2, elektrische Verbindungselemente, eine Kraftangriffsfläche und zumindest einen Kraftsensor, der elektrische Ausgangssignale in Reaktion auf eine an die Kraftangriffsfläche angelegte externe Kraft bereitstellt, umfasst; und
ein Gehäuse, das zumindest einen Teil des Kraftsensorchips einschließt, wobei das Gehäuse ein Kraftübertragungselement umfasst, welches eine externe Kraft an den Kraftsensorchip überträgt; wobei die elektrischen Verbindungselemente auf der Seite 1 des Kraftsensorchip lokalisiert sind, die Kraftangriffsfläche auf Seite 2 des Kraftsensorchips lokalisiert sind und das Kraftübertragungselement mit der Kraftangriffsfläche auf Seite 2 des Kraftsensorchips gekoppelt ist.
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Andere Ausführungsformen stellen Halbleitereingabesteuerungsvorrichtungen zum Eingeben mechanischer Signale in ein elektronisches System bereit, umfassend: einen innerhalb eines Halbleitersubstrats ausgebildeten Kraftsensorchip, wobei der Kraftsensorchip Seite 1 und Seite 2, elektrische Verbindungselemente, eine Kraftangriffsfläche und zumindest einen Kraftsensor, der elektrische Ausgangssignale in Reaktion auf eine an die Kraftangriffsfläche angelegte externe Kraft bereitstellt, umfasst; ein Gehäuse, das zumindest einen Teil des Kraftsensorchips einschließt; und ein Kraftübertragungselement, das mit der Kraftangriffsfläche kooperiert, wobei das Kraftübertragungselement eine externe Kraft an den Kraftsensorchip überträgt; wobei die elektrischen Verbindungselemente und die Kraftangriffsfläche des Kraftsensorchip auf der Seite 1 des Kraftsensorchip lokalisiert sind und das Kraftübertragungselement in Kontakt mit der Kraftangriffsfläche auf Seite 1 des Kraftsensorchips lokalisiert ist, wenn die externe Kraft angelegt wird.
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Noch weitere Ausführungsformen stellen Halbleitereingabesteuerungsvorrichtungen zum Eingeben mechanischer Signale in ein elektronisches System bereit, umfassend: einen innerhalb eines Halbleitersubstrats ausgebildeten Kraftsensorchip, wobei der Kraftsensorchip Seite 1 und Seite 2, elektrische Verbindungselemente, eine Kraftangriffsfläche und zumindest einen Kraftsensor, der elektrische Ausgangssignale in Reaktion auf eine an die Kraftangriffsfläche angelegte externe Kraft bereitstellt, umfasst; eine innerhalb eines Halbleitersubstrats ausgebildete integrierte Transistorschaltung, wobei die integrierte Transistorschaltung elektrisch mit dem zumindest einen Kraftsensor verbunden ist, um die elektrischen Signale zu empfangen; ein, zumindest einen Teil des Kraftsensorchips einschließendes Gehäuse; und ein Kraftübertragungselement, das mit dem Kraftsensorchip zusammenarbeitet, bei dem das Kraftübertragungselement eine externe Kraft an den Kraftsensorchip überträgt; wobei die integrierte Transistorschaltung eine Signalkonditionierung und Signalverarbeitung der elektrischen Ausgangssignale aus dem zumindest einen Kraftsensor bereitstellt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die obigen und anderen Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden genaueren Beschreibung derselben, die in Zusammenhang mit den nachfolgenden Zeichnungen präsentiert werden, ersichtlicher, wobei:
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1 eine Ansicht einer Krafteingabesteuervorrichtung mit auf der Seite 1 lokalisierten elektrischen Verbindungselementen, einer auf Seite 2 des Kraftsensorchips lokalisierten Kraftangriffsfläche, und dem Kraftübertragungselement mit der Kraftangriffsfläche auf Seite 2 des Kraftsensorchips gekoppelt, ist.
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2 eine Ansicht einer Eingabesteuervorrichtung mit elektrischen Verbindungselementen des Kraftsensorchips ist, die zur direkten Montage der Halbleitereingabesteuerungsvorrichtung innerhalb eines elektronischen Systems exponiert sind.
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3 eine Ansicht einer Krafteingabesteuervorrichtung mit elektrischen Verbindungselementen und der Kraftangriffsfläche des Kraftsensorchips, lokalisiert auf einer Seite des Kraftsensorchips, und dem mit der Kraftangriffsfläche auf einer Seite des Kraftsensorchips gekoppelten Kraftübertragungselements, ist.
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4 eine Ansicht einer Eingabesteuervorrichtung mit Siliziumdurchgangslöchern im Kraftsensorchip ist.
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5 eine Ansicht einer Eingabesteuervorrichtung mit einer Taste ist, die eine Schnittstelle zur externen Kraft bereitstellt und sie auf das Kraftübertragungselement überträgt.
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6 eine Ansicht einer Eingabesteuervorrichtung mit einem Kraftsensorchip ist, der oben auf einer integrierten Transistorschaltung flip-chip-montiert ist, der Signalkonditionierung und Signalverarbeitung der elektrischen Ausgabesignale aus den Kraftsensoren bereitstellt.
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7 eine Ansicht einer Eingabesteuervorrichtung mit einem Kraftsensorchip ist, der zum Drahtbondieren oben auf der integrierten Transistorschaltung montiert ist, die Signalkonditionierung und Signalverarbeitung der elektrischen Ausgabesignale aus den Kraftsensoren bereitstellt.
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8 eine Ansicht einer Eingabesteuervorrichtung ist, die auf einer gedruckten Schaltplatine (PCB, printed circuit board) mit verschiedenen wechselseitigen Positionen auf der Seite 1 des Kraftsensorchips in Bezug auf die Position der PCB-Ebene montiert ist.
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9 eine Ansicht eines Mobiltelefons mit verschiedenen Stellen von Eingabesteuervorrichtungen auf dem Korpus eines Mobiltelefons ist.
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10 eine Ansicht einer Spielvorrichtung mit verschiedenen Stellen von Eingabesteuervorrichtungen auf dem Korpus einer Spielvorrichtung ist.
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Entsprechende Bezugszeichen zeigen entsprechende Komponenten in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen an. Fachleute werden erkennen, dass Elemente in den Figuren im Hinblick auf Einfachheit und Klarheit illustriert sind und nicht notwendigerweise maßstäblich gezeichnet sind. Beispielsweise können die Abmessungen einiger Elemente in den Figuren relativ zu anderen Elementen übertrieben worden sein, um beim Verbessern des Verständnisses von verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu helfen. Auch sind übliche, aber wohlbekannte Elemente, die in einer kommerziell machbaren Ausführungsform nützlich oder notwendig sind, oft nicht dargestellt, um eine weniger verstellte Ansicht dieser verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu erleichtern.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die vorliegenden Ausführungsformen stellen teils Ein-Achsen- oder Zwei-Achsen- oder Drei-Achsen-Kraftsteuervorrichtungen für Massenverbrauchermärkte dar, wie etwa Mobiltelefone, tragbare Spielgeräte, Fernsteuerungen, PDAs, Digitalkameras etc.. Weiterhin stellen die vorliegenden Ausführungsformen Einhausungslösungen für Ein-Achsen- oder Zwei-Achsen- oder Drei-Achsen-Krafteingabesteuerung von verschiedenen Funktionen bei elektronischen Endverbrauchervorrichtungen bereit. Zusätzlich stellen die vorliegenden Ausführungsformen preisgünstige Ein-Achsen- oder Zwei-Achsen- oder Drei-Achsen-Krafteingabesteuervorrichtungen bereit. Noch weiterhin stellen die vorliegenden Ausführungsformen hoch zuverlässige Ein-Achsen- oder Zwei-Achsen- oder Drei-Achsen-Krafteingabesteuervorrichtungen bereit.
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Die vorliegenden Ausführungsformen stellen weiter hochstabile Ein-Achsen- oder Zwei-Achsen- oder Drei-Achsen-Krafteingabesteuervorrichtungen bereit. Zusätzlich stellen die vorliegenden Ausführungsformen Ein-Achsen- oder Zwei-Achsen- oder Drei-Achsen-Krafteingabesteuervorrichtungen bereit, die skalierbar sind. Weiterhin stellen die vorliegenden Ausführungsformen Ein-Achsen- oder Zwei-Achsen- oder Drei-Achsen-Krafteingabesteuervorrichtungen bereit, die bequeme Lösungen zum Anlegen einer externen Kraft gestatten.
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1 bis 10 zeigen verschiedene Ausführungsformen von Krafteingabesteuervorrichtungen, ihre unterschiedlichen Optionen zum Einhausen, Assemblieren und Montieren. Die detaillierte Beschreibung der Vorrichtungen gemäß den vorliegenden Ausführungsformen wird unten in sechs Ausführungsformen präsentiert. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese sechs Ausführungsformen beschränkt und die sechs Ausführungsformen sind als Repräsentationen der erfinderischen Aspekte der vorliegenden Erfindung vorgesehen. Weiter können Merkmale und Aspekte der unten beschriebenen Ausführungsformen gegeneinander ausgetauscht werden, ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Während die unten offenbarte Erfindung mittels spezifischer Ausführungsformen und Anwendungen derselben beschrieben wird, könnten durch Fachleute zahlreiche Modifikationen und Variationen daran gemacht werden, ohne vom Geist der in den Ansprüchen dargestellten Erfindung abzuweichen.
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Erste Ausführungsform
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Ein Beispiel einer Eingabesteuervorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform ist in 1 gezeigt. Die Eingabesteuervorrichtung 1 enthält ein Gehäuse 22, einen Halbleiter-Kraftsensorchip 10 und ein Kraftübertragungselement 24. Der aus einem Halbleitersubstrat ausgebildete Kraftsensorchip 10 hat Seite 1 (12) und Seite 2 (14), weist elektrische Verbindungselemente 18, und eine Kraftangriffsfläche 16 auf und enthält zumindest einen Kraftsensor 20, der elektrische Ausgabesignale in Reaktion auf eine an die Kraftangriffsfläche 16 angelegte externe Kraft bereitstellt. Seite 1 (12) liegt gegenüber Seite 2 (14).
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In einer anderen Version der Eingabesteuervorrichtung 1 weist der Kraftsensorchip 10 ein zusätzliches, sowohl mit dem Kraftübertragungselement 24 des Gehäuses 22 als auch der Kraftangriffsfläche 16 gekoppeltes, zusätzliches Kraftübertragungselement zur besseren und Multiachsen-Sensitivität der Eingabesteuervorrichtung 1 auf.
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Das mit dem Kraftsensorchip 10 gekoppelte Kraftübertragungselement 24 kann aus im Wesentlichen jeglichem relevanten Material hergestellt sein, das es einer externen Kraft gestattet, an den Kraftsensorchip 10 übertragen zu werden. Beispielsweise kann das Kraftübertragungselement 24 konstruiert sein aus: Metall, einer Legierung, Plastik, Gummi, Silizium, Keramik, Glas, Kombinationen der obigen und/oder anderer solcher relevanter Materialien. Zusätzlich kann das Kraftübertragungselement 24 konstruiert sein, unterschiedliche Strukturen aufzuweisen, wie eine Schicht uniformen Materials, zumindest zwei Schichten uniformer Materialien, nicht uniformes Material mit einem Gradienten der Härte oder Kombinationen der obigen.
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Die elektrischen Verbindungselemente 18 können Metallflächen mit einer Unterhöcker-Metallisierung (under-bump metallization), Lotbälle oder Lothöcker oder andere solche Strukturen sein, welche es der Eingabesteuervorrichtung 1 gestatten, auf beispielsweise einer gedruckten Schaltungsplatine 26 montiert und elektrisch gekuppelt zu werden. Die elektrischen Verbindungselemente 18 gestatten bei einigen Implementierungen eine ”Flip-Chip”-Montage des Kraftsensorchips 10 innerhalb des Gehäuses 22. Zusätzliche Materialien und Strukturen können an der Schnittstelle zwischen Kraftsensorchip 10 und dem Gehäuse 22 verwendet werden, um mechanische Festigkeit der Verbindung zwischen dem Kraftsensorchip 10 und dem Gehäuse 22 bereitzustellen. Beispielsweise kann eine Unterfüllung, zusätzliches Adhäsiv, Fritten-Glas oder ein anderes strukturelles Material verwendet werden; zusätzliche Blindlotverbindungen können angesetzt werden, mechanische Kopplungsstrukturen können auf den Verbindungsoberflächen ausgebildet werden, beispielsweise kann der Chip in einer im Gehäuse 22 ausgebildeten Höhlung platziert werden, etc..
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Wie oben vorgestellt, wird die Eingabesteuervorrichtung 1 auf der gedruckten Schaltungsplatine (PCB) 26 oder einem anderen Substrat innerhalb eines elektronischen Systems montiert.
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Einige der vorteilhaften Merkmale der Krafteingabesteuervorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform ist, dass elektrische Verbindungselemente 18 und zumindest ein Kraftsensor 20 auf der Seite 1 (12) lokalisiert sind, die Kraftangriffsfläche 16 auf Seite 2 (14) des Kraftsensorchips 10 lokalisiert ist und das Kraftübertragungselement 24 mit der Kraftangriffsfläche 16 auf Seite 2 (14) des Kraftsensorchips 10 gekoppelt ist.
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Wenn eine externe Kraft an das Kraftübertragungselement 24 des Gehäuses 22 angelegt wird, wird sie an die Kraftangriffsfläche 16 des Kraftsensorchips 10 übertragen. Der Kraftsensorchip 10 stellt Ausgabesignale in Reaktion auf die angelegte Kraft bereit. Diese Signale können als Eingabe in ein elektronisches System verwendet werden. Beispielsweise können die Ausgabesignale des Kraftsensorchips 10, die durch eines oder mehrere der elektrischen Verbindungselemente 18 gesendet werden, zur Cursorpositionssteuerung auf einem Bildschirm eines Mobiltelefons, zur Steuerung der Bewegung oder von Aktionen eines Charakters/Rolle in einer Spielvorrichtung, Überwachen eines Patienten, Steuerung von Sportausrüstung etc. verwendet werden. Ausgabesignale des Kraftsensorchips 10 können Informationen tragen, um Ein-Achsen oder Zwei-Achsen oder Drei-Achsen oder komplexere Kontrolle eines Cursors oder anderes Objektes an der Anwenderschnittstelle zu gestatten. Im allgemeinen Fall der Erfassung von N Komponenten des externen Kraftvektors (N = 1, 2 oder 3) beinhaltet die Eingabesteuervorrichtung 1 typischerweise zumindest N Kraftsensoren, die unabhängige elektrische Ausgabesignale vorsehen, welche Informationen zu N Komponenten des externen Kraftvektors enthalten.
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Die Kraftsensoren 20, die elektrische Ausgabesignale in Reaktion auf eine externe Kraft, die an die Kraftangriffsfläche 16 übertragen und angelegt wird, bereitstellen, können ausgewählt werden aus der, sind aber nicht beschränkt auf die Gruppe: ein Piezo-Widerstand, ein pn-Übergang, eine Tunneldiode, eine Schottky-Diode, eine Scher-Stresskomponente, eine piezoresistive Wheatstone-Brücke, ein MOS-Transistor, ein komplementäres Paar von CMOS-Transistoren, ein bipolarer Transistor, ein Paar von p-n-p- und n-p-n Bipolartransistoren, ein bipolarer Transistor und zumindest ein mit dem Transistor verbundener Piezowiderstand, ein MOS-Transistor und zumindest ein mit dem Transistor verbundener Piezo-Widerstand, eine bipolare Transistorschaltung und eine CMOS-Transistorschaltung, ein piezoelektrischer Sensor, ein Kondensator, ein differentieller Kondensator, eine kapazitative Brücke, ein Magnetsensor, ein Elektromagnetsensor, ein magnetoelektrischer Sensor, ein optischer Sensor, ein Paar von Strahlung emittierender und strahlungssensitiver Komponente, ein Vibrationssensor, ein akustischer Wellensensor, ein thermischer Sensor, ein Wärmetransfersensor oder Kombination, und/oder andere solche verwandten Vorrichtungen.
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In vielen Fällen werden durch die Kraftsensoren 20 bereitgestellte elektrische Signale verarbeitet. Diese Verarbeitung kann Signalkonditionierung und Signalverarbeitung beinhalten. Die Signalkonditionierung kann beinhalten, ist aber nicht beschränkt auf eine Kompensation von Temperaturbezogenen Messfehlern, Verstärkung, Kompensation einer Nicht-Linearität, Digitalisierung von Ausgabesignalen des Kraftsensorchips oder ihre Umwandlung in eine Frequenz.
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Vorzugsweise wird die Signalverarbeitung in einer digitalen Form vorgenommen, obwohl auch eine Analogverarbeitung verwendet werden kann. Die Signalverarbeitung kann das Multiplexen von Signalen aus unterschiedlichen Kraftsensoren, Berechnen entweder einiger Komponenten oder aller Komponenten oder Modulus des an die Eingabesteuervorrichtung angelegten Kraftvektors durch Digitalverarbeitung der Signale, Bereitstellen von Korrektur von Sensorparametern wie beispielsweise Versatz und Sensitivität und andere Operationen beinhalten. Die Signalkonditionierungs- und Bearbeitungselektronik kann auch Schaltungen zum drahtlosen Übertragen von Signalen beinhalten. Die Signalkonditionierung und Bearbeitung verwendet typischerweise den Einsatz von integrierten Schaltungen, die Transistoren einsetzen, die hier später manchmal als ”integrierte Transistorschaltungen” bezeichnet werden.
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Bei der Eingabesteuervorrichtung 1 gemäß einigen Implementierungen der ersten Ausführungsform sind zumindest einige Signalkonditionierungs- und Bearbeitungsschaltungen auf dem Kraftsensorchip 10 integriert.
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Zweite Ausführungsform
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2 stellt eine Variation der Eingabesteuervorrichtung 1 von 1 dar. Bei dieser Ausführungsform umgibt ein Gehäuse 22 einen Teil des Kraftsensorchips 10, wobei ein Bereich des Kraftsensorchips 10 nahe der Seite 1 (12) exponiert bleibt, und weiter ein Kraftübertragungselement 24 umfasst, das eine externe Kraft an die Kraftangriffsfläche 16 überträgt. Die elektrischen Verbindungselemente 18 sind exponiert, beispielsweise für eine Direkt-Flip-Chip-Montage auf der PCB 26.
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Dritte Ausführungsform
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Eine Eingabesteuervorrichtung 1 gemäß der dritten Ausführungsform ist in 3 gezeigt. Die Eingabevorrichtung 1 enthält ein Gehäuse 22, einen Halbleiter-Kraftsensorchip 10 und ein Kraftübertragungselement 24. Der Kraftsensorchip 10, der innerhalb eines Halbleitersubstrats ausgebildet ist, hat Seite 1 (12) und Seite 2 (14), weist elektrische Verbindungselemente 18, und Kraftangriffsfläche 16 auf und enthält zumindest einem Kraftsensor 20, der elektrische Ausgabesignale in Reaktion auf eine an die Kraftangriffsfläche 16 angelegte externe Kraft bereitstellt. Typischerweise werden Metallflächen (Pads) als die elektrischen Verbindungselemente 18 verwendet. Die elektrischen Verbindungselemente gestatten die Drahtbondierung des Kraftsensorchips 10. Die Eingabesteuervorrichtung 1 ist auf einer gedruckten Schaltungsplatine (PCB) 26 oder einem anderen Substrat innerhalb eines elektronischen Systems montiert.
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Einige der Merkmale der Eingabesteuervorrichtung 1 gemäß der in 3 dargestellten Ausführungsform ist, dass die elektrischen Verbindungselemente 18 und zumindest ein Kraftsensor 20 und Kraftangriffsfläche 16 auf der Seite 1 (12) des Kraftsensorchips 10 lokalisiert sind und das Kraftübertragungselement 24 mit der Kraftangriffsfläche 16 auch auf der Seite 1 des Kraftsensorchips 10 gekoppelt ist.
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Bei dieser dritten Ausführungsform der Eingabesteuervorrichtung 1 können die elektrischen Verbindungselemente 18 zur Drahtbondierung innerhalb des Gehäuses 22 verwendet werden. Falls für einige Anwendungen die Flip-Chip-Montage des Kraftsensorchips innerhalb des Gehäuses erforderlich ist, kann dann die Version der in 4 gezeigten Eingabesteuervorrichtung 1 verwendet werden. 4 illustriert die Eingabesteuervorrichtung 1, bei der der Kraftsensorchip 10 zumindest einen Kraftsensor 20, elektrische Verbindungen 28 zu diesen Sensoren 20 und eine Kraftangriffsfläche 16, die nahe an der Seite 1 (12) des Kraftsensorchips 10 lokalisiert ist, aufweist. Elektrische Verbindungselemente 18 sind auf Seite 2 (14) des Kraftsensorchips 10 lokalisiert und elektrisch mit den Verbindungen 28 verbunden, beispielsweise über Siliziumdurchgänge (TSV, through silicon vias) 30.
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Vierte Ausführungsform
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Eine Eingabesteuervorrichtung 1 gemäß der vierten Ausführungsform ist in 5 gezeigt. Die Eingabevorrichtung 1 enthält ein Gehäuse 22, einen Halbleiter-Kraftsensorchip 10, ein Kraftübertragungselement 24 und eine Taste 32. Der innerhalb eines Halbleitersubstrats ausgebildete Kraftsensorchip 10 weist eine Seite 1 (12) und eine Seite 2 (14) auf, hat elektrische Verbindungselemente 18 und eine Kraftangriffsfläche 16. Zumindest ein Kraftsensor 20 ist innerhalb des Kraftsensorchips ausgebildet. Der Kraftsensor 20 stellt elektrische Ausgabesignale in Reaktion auf eine an die Kraftangriffsfläche 16 angelegte externe Kraft bereit. Wie oben diskutiert wurde, werden entweder Metallflächen, Lothöcker, Lotbälle/kugeln oder andere relevante elektrisch leitfähige Strukturen als die elektrischen Verbindungselemente 18 verwendet. Typischerweise gestatten die elektrischen Verbindungselemente 18 eine Flip-Chip-Montage des Kraftsensorchips 10. Die Eingabesteuervorrichtung 1 ist auf einer gedruckten Schaltungsplatine (PCB) 26 oder einem anderen Substrat innerhalb des Elektroniksystems montiert.
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Obwohl ersichtlich ist, dass eine externe Kraft direkt an das Kraftübertragungselement 24 des Gehäuses angelegt werden kann, wird für praktische Zwecke oft die externe Taste 32 verwendet. Die Taste 32 ist mit dem Kraftübertragungselement 24 des Gehäuses 22 verbunden. Die Taste 32 kann aus im Wesentlichen jeglichem relevanten Material hergestellt sein, wie etwa, aber nicht beschränkt auf, Plastik, Metall, Keramik, Glas, Polymer, Edelstein, andere solche relevante Materialien oder Kombinationen der obigen. Die Taste 32 kann verschiedene Formen und Elemente aufweisen, wie etwa konvex, konkav, sattelförmig, Zylinderförmig, scheibenförmig, kuppelförmig, stabförmig, Halbsphären-förmig, konusförmig, pyramidenförmig, Prisma, Torus, Vertiefung, Kerbe, Taktil-wahrnehmbares Merkmal oder andere solche Merkmale oder Kombinationen. Sowohl das Gehäuse 22 als auch die Taste 32 können profilierte Verbinderelemente aufweisen, die eine zuverlässige Verbindung zwischen der Taste und dem Gehäuse 22 bereitstellen. Insbesondere können das Kraftübertragungselement 24 und die Taste 32 über eine Oberfläche gekoppelt sein, die die Form eines Lochs, Hohlraums, Grabens, Kerbe, Pols, Stifts, Grats, Stufe, Balken, Gewinde, Zahn, Haken, oder Kombinationen der Obigen aufweist. In einer Version der Eingabesteuervorrichtung 1 haben in der Taste 32 und dem Kraftübertragungselement 24 ausgebildete profilierte Verbinder einen Verriegelungsmechanismus. Profilierte Verbinderelemente können auch einen Schutz des Kraftsensorchips 10 gegenüber sowohl Kraft- aus auch Drehmomentüberlast bereitstellt. Die Taste 32 ist ergonomisch entworfen, um eine maximale Bequemlichkeit für den Anwender bereitzustellen, bereitstellend vorzugsweise Material, Form, Größe, Bereich der zum Betätigen der Eingabevorrichtung erforderlichen Kraft, Steifheit, maximale Deformation, das Gefühl beim Berühren und Farbe. Die Eingabesteuervorrichtung 1 kann Teil einer Tastatur, Tastenmatte, eines Steuerpaneels, Steueroberflächenbereichs oder dergleichen sein. Die Tasten können auch ersetzbar und austauschbar sein.
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Wenn eine externe Kraft auf die Taste 32 ausgeübt wird, beispielsweise durch einen Finger, wird sie über das Kraftübertragungselement 24 und die Kraftangriffsfläche 16 des Kraftsensorchips 10 an den Kraftsensor 20 übertragen. Der Kraftsensorchip 10 stellt Ausgangssignale in Reaktion auf die ausgeübte Kraft bereit. Diese Signale werden als eine Eingabe in einem elektronischen System verwendet. Ausgabesignale des Kraftsensorchips 10 können mehrere Komponenten aufweisen und können beispielsweise eine Ein-Achsen- oder Zwei-Achsen- oder Drei-Achsen-Steuerung eines Spielcharakters oder anderen Objektes an der Benutzerschnittstelle gestatten.
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Fünfte Ausführungsform
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Die 6 und 7 zeigen Beispiele einer Eingabesteuervorrichtung 1, gemäß der fünften Ausführungsform. Die Eingabevorrichtung 1 enthält ein Gehäuse 22, einen Halbleiter-Kraftsensorchip 10, ein Kraftübertragungselement 24 und einen zweiten Halbleiterchip 34. Der innerhalb eines Halbleitersubstrats ausgebildete Kraftsensorchip 10 weist Seite 1 (12) und Seite 2 (14) auf, hat elektrische Verbindungselemente 18 und eine Kraftangriffsfläche 16. Zumindest ein Kraftsensor 20 ist innerhalb des Kraftsensorchip 10 ausgebildet. Der Kraftsensor 20 stellt elektrische Ausgabesignale in Reaktion auf eine auf die Kraftangriffsfläche ausgeübte externe Kraft bereit.
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Der zweite Halbleiterchip 34 enthält integrierte Transistorschaltungen für die Signalkonditionierung und/oder Signalverarbeitung der Ausgabesignale der Kraftsensoren 20. Gründe für die Verwendung von Signalkonditionierungs- und Signalprozessierungsschaltungen sind oben in der Beschreibung der ersten Ausführungsform diskutiert. Die integrierten Transistorschaltungen können im Wesentlichen jegliche relevanten Schaltkreistechniken wie etwa, aber nicht begrenzt auf, CMOS, Bipolar, BiCMOS oder und/oder andere solch relevante Schaltkreistechniken sein.
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Im Allgemeinen kann die Partitionierung zwischen Krafterfassungs-, Signalkonditionierungs- und Signalverarbeitungsfunktionen unterschiedlich sein. Die Krafterfassungs-, Signalkonditionierungs- und Signalverarbeitungsfunktionen können innerhalb eines Kraftsensorchips 10 integriert sein. In diesem Fall wird nur ein Chip benötigt. Eine andere Option ist die Integration von Krafterfassung und zumindest einem Teil der Signalkonditionierung innerhalb des Kraftsensorchips 10 und zumindest der Signalverarbeitung innerhalb des zweiten Halbleiterchips 34. Noch eine andere Option ist die Integration von Krafterfassung innerhalb des Kraftsensorchips 10 und Signalkonditionierung innerhalb zumindest eines anderen Halbleiterchips 34. Eine weitere Option ist die Integration der Krafterfassung innerhalb des Kraftsensorchips 10 und der Signalkonditionierung und Signalbearbeitung innerhalb zumindest einem anderen Halbleiterchips.
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Mehr Optionen der Aufteilung der Funktionen sind möglich. Beispielsweise kann die Eingabesteuervorrichtung 1 einen Kraftsensorchip 10 und einen Signalkonditionierungs- und Signalverarbeitungs-Chip 34 aufweisen, der eine zusammen in ein Gehäuse verpackte integrierte Transistorschaltung enthält, wie in 6 gezeigt, und einen dritten Chip, der Drahtlos-Kommunikation bereitstellt, der außerhalb des Gehäuses 22 lokalisiert ist.
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Mechanische und elektrische Verbindungen zwischen dem Kraftsensorchip 10 und dem zweiten Halbleiterchip 34 wie auch mechanische und elektrische Verbindungen dieser Chips mit dem Gehäuse können unter Einsatz verschiedener Ansätze hergestellt werden. 6 zeigt einen Kraftsensorchip 10 mit auf Seite 1 (12) ausgebildeten elektrischen Verbindungselementen 18 und auf einer Seite 2 (14) des Chips 10 lokalisierten Kraftangriffsfläche 16. Die elektrischen Verbindungselemente 18 können Metallflächen mit Unterhöcker-Metallisierung, Lot-Bälle, Lothöcker oder anderen relevante elektrisch-leitfähige Verbindungen sein. Die elektrischen Verbindungselemente 18 gestatten in einigen Ausführungsformen eine Flip-Chip-Montage des Kraftsensorchips 10 auf dem zweiten Halbleiterchip 34. Um eine mechanische Festigkeit der Verbindung zwischen dem Kraftsensorchip 10 und dem zweiten Halbleiterchip 34 bereitzustellen, können zusätzliche Materialien und Strukturen an der Schnittstelle zwischen diesen zwei Chips verwendet werden. Beispielsweise kann eine Unterfüllung oder ein zusätzlicher Klebstoff verwendet werden; zusätzliche Blindlot-Übergänge können eingesetzt werden, miteinander verschränkende mechanische Mikrostrukturen können auf den Verbindungsoberflächen ausgebildet werden, etc..
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Der zweite Halbleiterchip 34 hat elektrische Verbindungselemente 36 zur elektrischen Verbindung mit dem Gehäuse. Die Eingabesteuervorrichtung 1 ist auf einer gedruckten Schaltungsplatine (PCB) 26 oder einem anderen Substrat innerhalb des Elektroniksystems montiert.
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7 zeigt eine andere Option für das Design und Einhausen des Kraftsensorchips 10. In der in 7 gezeigten Lösung weist der Kraftsensorchip 10 sowohl elektrische Verbindungselemente 18 als auch die Kraftangriffsfläche 16 auf Seite 1 (12) ausgebildet auf. Die Seite 2 (14) wird zum Montieren oben auf dem zweiten Halbleiterchip 34 verwendet. In einigen Fällen werden elektrische Verbindungselemente 18 des Kraftsensorchips und elektrische Verbindungselemente 36 des zweiten Halbleiterchips 34 in geeigneter Weise zur Drahtbondierung ausgebildet.
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Sechste Ausführungsform
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8 zeigt verschiedene potentielle Orientierungen der Eingabesteuervorrichtung relativ zu einer PC-Platine 26. Die eingehäuste Eingabevorrichtung 40 ist auf der PC-Platine 26 auf solche Weise montiert, dass Seite 1 (12) des Kraftsensorchips parallel zur PCB liegt. Die eingehäuste Eingabevorrichtung 42 ist auf der PC-Platine 26 auf solche Weise montiert, dass Seite 1 (12) des Kraftsensorchips rechtwinklig zur PCB ist. Diese Art der Montage kann beispielsweise verwendet werden, wenn es eine Notwendigkeit gibt, eine Steuertaste auf einer Seitenwand einer tragbaren Vorrichtung wie ein Mobiltelefon zu haben. In diesem Fall sollte die Eingabesteuervorrichtung nahe an der Kante der PC-Platine 26 montiert werden. Eine direkte Kantenmontage der PCB benutzt typischerweise ein spezialisiertes Gehäuse, um sowohl zuverlässige mechanische als auch elektrische Verbindung der Eingabevorrichtung 42 mit der PC-Platine 26 bereitzustellen. Die eingehäuste Eingabevorrichtung 44 wird auf der PC-Platine 26 auf solche Weise montiert, dass Seite 1 (12) des Kraftsensorchips unter demselben spitzen Winkel (oder stumpfen Winkel, abhängig von der Orientierung) zur PCB 26 orientiert ist.
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Eine Taste (wie etwa die unter Bezugnahme auf 5 beschriebene Taste 32) kann mit der Eingabevorrichtung 40, 42, 44 unabhängig von der Art der Montage gekoppelt werden. Jedoch wird erwogen, dass das Design der Taste 32 für jede Art von Eingabevorrichtungsmontage 40, 42 und 44 angepasst wird, um einem Anwender den gewünschten Effekt und/oder maximale Bequemlichkeit bereitzustellen.
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Einer der Vorteile der Eingabesteuervorrichtungen gemäß der vorliegenden Ausführungsformen ist, dass sie in im Wesentlichen in jeglicher relevanten Größe konstruiert werden können, abhängig von der beabsichtigten Implementierung, einschließlich, in relativ kleinen Größe konstruiert zu sein, wie etwa bei einigen Ausführungsformen Dimensionen im Bereich von 0,1 bis 10 mm aufweisend. Dies gestattet das Zuweisen eines minimalen Platzes an praktisch jeder Stelle, wie etwa auf der Oberfläche einer Verbraucherelektronikvorrichtung und/oder tragbaren Vorrichtung. Wiederum können jedoch andere größer dimensionierte Eingabesteuervorrichtungen konstruiert werden, wenn größeren Größe wünschenswert sind.
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9 zeigt eine perspektivische Ansicht einer tragbaren Vorrichtung 52, in diesem Beispiel ein Funk- oder Zellulartelefon, das mehrere Eingabesteuervorrichtungen 1 enthält. Wiederum, weil die Eingabesteuervorrichtungen 1 in relativ kleinen Größen konstruiert werden können, können sie im Wesentlichen auf jeglicher Oberfläche des Mobiltelefons 52 inkorporiert werden. Beispielsweise kann eine Eingabesteuervorrichtung nicht nur auf dem Frontpaneel einer tragbaren Vorrichtung platziert werden, sondern kann auch auf einer Seite einer tragbaren Vorrichtung platziert werden, wie in 9 gezeigt ist. In einigen Fällen kann es vorteilhaft sein, zumindest zwei Grundoptionen einer kantenmontierten Eingabesteuervorrichtung zu haben: auf der rechten Seite einer tragbaren Vorrichtung (für einen erste Satz von Steuerungen und/oder rechtshändige Personen) und auf der linken Seite einer tragbaren Vorrichtung (für einen zweiten Satz von Steuerungen und/oder für linkshändige Personen). Die in 9 gezeigte tragbare Vorrichtung 52 stellt mehrere über unterschiedliche Lokationen auf der tragbaren Vorrichtung 52 verteilte Eingabesteuervorrichtungen bereit.
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Spezifischer zeigt in diesem Beispiel 9 ein Mobiltelefon 52 als ein Beispiel einer tragbaren Vorrichtung, die von der Verwendung von kraftgesteuerten Ein-Achsen- oder Zwei-Achsen- oder Drei-Achsen-Eingabesteuervorrichtungen der vorliegenden Ausführungsformen profitieren kann. Eine Eingabesteuervorrichtung 58, die entweder eine fingergesteuerte Mikromaus- oder eine Mikro-Joystick-Funktionalität bereitstellt, ist auf dem Frontpaneel des Mobiltelefons 52 gezeigt. Mehrere zusätzliche Eingabesteuervorrichtungen 55, 57, 60 und 63 sind auch gezeigt, die eine ähnliche kraftgesteuerte Mikromaus- oder Mikro-Joystick-Funktionalität bereitstellen, die auf der Seite des Mobiltelefons 52 installiert sind. Insbesondere sind Mikromaus- oder Mikro-Joystick-Eingabesteuervorrichtungen 57 und 55 nahe einem oberen Bereich des Mobiltelefons 52 von der linkshändigen Seite und der rechtshändigen Seite entsprechend installiert. Die Eingabesteuervorrichtung 57 kann durch einen Finger 56 gesteuert werden und die Eingabesteuervorrichtung 55 kann durch einen Daumen 54 im in 9 gezeigten Beispiel gesteuert werden. In einigen Fällen können zusätzliche Mikromaus- oder Mikro-Joystick-Eingabesteuervorrichtungen 60 und 63 an anderen Teilen der Seitenwände des Mobiltelefons 52 installiert werden, wo die Mikromaus- oder Mikro-Joystick-Eingabesteuervorrichtungen 60 und 63 durch Anwenderfinger, wie etwa Finger 59, 61, entsprechend gesteuert werden können, wie in 9 gezeigt.
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10 zeigt eine Spielvorrichtung 70 als ein anderes Beispiel einer tragbaren Vorrichtung, die von der Verwendung von kraftgesteuerten Ein-Achsen- oder Zwei-Achsen- oder Drei-Achsen-Eingabesteuervorrichtungen der vorliegenden Ausführungsformen profitieren kann. Beispielsweise können ein oder mehrere Eingabesteuervorrichtungen auf dem Frontpaneel der Spielvorrichtung 70 installiert werden. Es sind zwei Mikro-Joystick-Eingabesteuervorrichtungen 77, 79 auf dem Front-Paneel der Spielvorrichtung 70 gezeigt. Diese Eingabesteuervorrichtungen 77 und 79 werden typischerweise beispielsweise durch Daumen 76 und 78 entsprechend im in 10 gezeigten Beispiel gesteuert. Ähnliche kraftgesteuerte Mikro-Joystick-Eingabesteuervorrichtungen können ebenfalls an Seitenwänden von Spielvorrichtungen installiert sein. 10 zeigt Mikro-Joystick-Eingabesteuervorrichtungen 80, 82, die auf einem oberen Teil der Seitenwand der Spielvorrichtung 70 installiert sind. Mikro-Joystick-Eingabesteuervorrichtungen 84, 86 können entsprechend auch auf den linken und rechten Seitenwänden der Spielvorrichtung installiert sein. Mikro-Joystick-Eingabesteuervorrichtungen können an anderen Teilen des Front-Paneels, Rück-Paneels und der Seitenwände der Spielvorrichtung 70 installiert sein.
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Wie in der vierten Ausführungsform beschrieben, können die Tasten ergonomisch entworfen sein, um für den Anwender Bequemlichkeit bereitzustellen, typischerweise die maximale Bequemlichkeit für den Anwender, bereitstellend bevorzugte(s) Material, Form, Größe, Kraftbereich, der zum Betätigen der Eingabevorrichtung erforderlich ist, Steifheit, maximale Deformation, Berührungsgefühl und Farbe.
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Eine tragbare Vorrichtung, beispielsweise ein Mobiltelefon 52 oder eine Spielvorrichtung 70, können mehrere Eingabesteuervorrichtungen der vorliegenden Ausführungsformen aufweisen, wie etwa Mikromaus- oder Mikro-Joystick-Eingabesteuervorrichtungen oder mehrere Gruppen dieser Vorrichtungen.
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Zusätzlich oder alternativ können Endverbraucher-Elektronikvorrichtungen (z. B. tragbare Vorrichtungen) mehrere Sockel für Eingabesteuervorrichtungen 1, wie etwa fingergesteuerte Mikro-Joystick-Eingabesteuervorrichtungen aufweisen und diese Eingabesteuervorrichtungen können in den unterschiedlichen Sockeln und/oder in verschiedenen Verbraucher-Elektronikvorrichtungen montiert oder umgebaut werden.
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Weiterhin können Mikromaus- oder Mikro-Joystick-Eingabesteuervorrichtungen programmierbare Funktionalität und auswählbare Sensitivität aufweisen. Beispielsweise kann in einer Spielvorrichtung mit Drei-Achsen-Mikro-Joystick-Eingabesteuervorrichtungen (z. B. Eingabesteuervorrichtungen 77 und 79) die Steuerung von sechs unabhängigen Parametern gestattet sein.
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Die beschriebenen Drei-Achsen-Eingabesteuervorrichtungen 1, wie etwa Finger- oder Daumen-gesteuerte Mikromaus- oder Mikro-Joystick-Vorrichtungen oder andere solche Vorrichtungen können Fähigkeiten zur Steuerung von bis zu drei unabhängigen Funktionen bereitstellen. Beispielsweise können zwei Funktionen die Bewegung eines Objektes auf dem Bildschirm eines Mobiltelefons, einer Spielvorrichtung oder einer anderen Verbraucher-Elektronik oder tragbaren Vorrichtung in jeder Richtung steuern. Typischerweise kann eine Bewegungsgeschwindigkeit proportional zur angelegten Kraft sein. Die dritte Funktion der Eingabesteuervorrichtungen 1 kann beispielsweise als eine Aktionstaste dienen. Diese Vorteile von Finger- oder Daumen-gesteuerten Mikromaus- oder Mikro-Joystick-Vorrichtungen stellen überlegene Funktionalität im Vergleich zu einer Vierwegtaste bereit, die breit bei Mobiltelefonen und anderen tragbaren Elektronikvorrichtungen verwendet wird. Weiterhin bringen die oben beschriebenen Optionen von Platzierung und Flexibilität beim Zuweisen und Programmieren von Funktionalität der Eingabesteuervorrichtungen 1 (wie etwa Mikromaus- oder Mikro-Joystick-Steuervorrichtungen) zusätzlichen Wert für diese Elektroniksysteme mit sich, die diese Arten von Eingabesteuervorrichtungen einsetzen.
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Ähnlich können die Ein-, Zwei- und/oder Drei-Achsen-Kraftsensoren der vorliegenden Ausführungsformen in im Wesentlichen jegliche Vorrichtung, jegliches System oder jeglichen Apparat inkorporiert werden, die durch eine auferlegte Kraft als einer Eingabe gesteuert werden können. Wie in den zwei Beispielen oben eingeführt, können ein oder mehrere Ein- oder Mehrachsen-Kraftsensoren der vorliegenden Ausführungsformen in ein Funktelefon 52 und eine Spielvorrichtung 70 inkorporiert werden, und können auch in einer Vielzahl von Stellen auf dem Funktelefon 52 und/oder der Spielvorrichtung 70 inkorporiert werden (z. B. Front, Rückseite, Oberseite, Unterseite, linke Seite, rechte Seite, Front-Paneel, Kante, Steuerpaneel, Steuerfläche, Seitenwand und dergleichen). Weiterhin können die Ein- oder Mehrachsen-Kraftsensoren in zahlreiche andere Vorrichtungen und Systeme eingebaut werden, wie etwa, aber nicht beschränkt auf, Verbraucher-Elektronikvorrichtungen (tragbare Multimedien- und/oder Audio-Abspielgeräte (z. B. Radio, MP3-Abspieler, Kompakt-Disk(CD)-Abspieler, Digital Versatile Disc (DVD)-Abspieler und andere solche Abspielgeräte), Computer, Drucker, Kopierer, Scanner, Tastaturen, Mäuse, Telefone, Fernseher, DVD-Spieler, Blue-Ray-Spieler, Stereoanlagen, Fernsteuerungen, Spielesteuerungen für PlayStation, X-Box, Nintendo Wii und dergleichen, tragbare Spiele-Spielvorrichtungen und andere Endverbraucher-Elektronikvorrichtungen);
Haushaltsgeräte (Mikrowellenöfen, Öfen, Kochfelder, Waschmaschinen, Wäschetrockner, Geschirrspülmaschinen, Kühlschränke, Staubsauger und andere derartige Vorrichtungen);
Transport-(Steuerungen für Navigations/GPS-Systeme, Radios, Tempomat, einschließlich Steuerungen, die auf einem Lenkrad in Automobilen, Booten, Luftfahrzeugen, Zügen und in zahlreichen anderen Arten von Verkehrsmitteln inkorporiert sind);
medizinische Ausrüstung (Prothesen, Blutdruckmessgeräte, Hörgeräte, Patientenzustands-Überwachungs- und
Alarmvorrichtungen, Rehabilitierungsvorrichtungen, zahnärztliche und andere Systeme und Vorrichtungen);
militärische Ausrüstung; Robotik; Sportausrüstung; Erziehung; Spielzeuge und andere Vorrichtungen, die über eine Kraft eine Eingabe empfangen.
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Aufgrund des breiten Anwendungsbereichs können die Eingabesteuervorrichtungen in im Wesentlichen jeglicher Stelle der Vorrichtung oder des Systems inkorporiert werden, um eine bequeme Verwendung bereitzustellen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf: Front, Rückseite, Oberseite, Unterseite, linke Seite, rechte Seite, Front-Paneel, Kante, Steuerpaneel, Steuerfläche, Seitenwand, Handgriff, externe Oberfläche, Innenseite des Objekts und/oder Kombinationen der Obigen.
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Es versteht sich, dass die Mikrostrukturen des Chips, Strukturen der Gehäuse, Tasten, Verfahren ihrer Montage und verwendete Materialien die vorliegende Erfindung nicht beschränken, sondern nur einige der verschiedenen technischen Lösungen, die durch diese Erfindung abgedeckt sind, illustrieren. Während die Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf einige Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht es sich, dass Variationen und Modifikationen derselben gemacht werden können, ohne vom wahren Geist und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
